lovesouthernsocial.com

Ang pagtuklas ng isang internasyonal na grupo ng mga siyentipiko, na kinabibilangan ng dalawang Brazilian, ay maaaring makatulong upang mabawasan ang polusyon na dulot ng materyal.

Isang internasyonal na grupo ng mga siyentipiko, kung saan lumahok ang dalawang Brazilian mula sa University of Campinas (Unicamp), na pinahusay ang pagganap ng PETase, isang enzyme na may kakayahang magpakain ng polyethylene terephthalate, PET plastic. Matapos matuklasan ang PETase sa isang bagong species ng bakterya noong 2016, ang grupo ng mga mananaliksik ay nagtrabaho upang makuha ang istraktura ng enzyme at maunawaan kung paano ito gumagana. Sa proseso, sa pamamagitan ng aksidente, natapos silang lumikha ng isang mutation ng enzyme na may mas higit na kaugnayan sa PET - iyon ay, isang mas malaking potensyal na pababain ang plastic.

Ang gawain ay may napakalaking potensyal para sa praktikal na paggamit, dahil tinatayang nasa pagitan ng 4.8 at 12.7 milyong tonelada ng plastik ang inilalabas sa mga karagatan bawat taon - isang bilang na malamang na lumaki. Ang mga plastik, na naipon kahit sa pinakamalayong mga beach sa planeta, ay ginagamit nang eksakto dahil sa kanilang paglaban sa pagkasira, na siyang higit na nagbabanta sa kapaligiran. Kapag itinapon, ang isang bote ng PET, halimbawa, ay maaaring manatili sa kapaligiran sa loob ng 800 taon - bilang karagdagan sa lumalaki at nakababahala na problema ng microplastics.

• Unawain ang epekto sa kapaligiran ng mga basurang plastik sa food chain
• Ano ang pinagmulan ng plastic na nagpaparumi sa karagatan?

Sa lahat ng ito, madaling maunawaan ang malaking interes na napukaw ng pagtuklas ng isang enzyme na may kakayahang tumunay ng polyethylene terephthalate. Ang enzyme na ito, na tinatawag na PETase, ay nadagdagan na ngayon ang kakayahang pababain ang plastic. Ang bagong bagay ay inilarawan sa isang artikulo na inilathala sa Mga Pamamaraan ng National Academy of Sciences ng United States of America (PNAS).

Dalawang mananaliksik mula sa Institute of Chemistry sa State University of Campinas (IQ-Unicamp) ang lumahok sa pananaliksik, sa pakikipagtulungan ng mga mananaliksik mula sa United Kingdom (University of Portsmouth) at United States (National Renewable Energy Laboratory). Sila ang postdoctoral student na si Rodrigo Leandro Silveira at ang kanyang superbisor, ang head professor at dean ng Research sa Unicamp Munir Salomão Skaf.

"Pangunahing ginagamit sa paggawa ng mga bote ng inumin, ang polyethylene terephthalate ay malawakang ginagamit din sa paggawa ng mga damit, alpombra at iba pang mga bagay. Sa aming pananaliksik, inilarawan namin ang tatlong-dimensional na istraktura ng enzyme na may kakayahang digesting ang plastik na ito, ininhinyero namin ito, pinatataas ang lakas ng pagkasira nito, at ipinakita namin na aktibo rin ito sa polyethylene-2,5-furanedicarboxylate (PEF), isang kapalit para sa PET na ginawa ng mula sa nababagong hilaw na materyales, "sinabi ni Silveira sa Agência FAPESP.

Ang interes sa PETase ay lumitaw noong 2016, nang ang isang grupo ng mga Japanese researcher, na pinamumunuan ni Shosuke Yoshida, ay nakilala ang isang bagong species ng bacteria, ang Ideonella sakaiensis, nakakagamit ng polyethylene terephthalate bilang pinagmumulan ng carbon at enerhiya – sa madaling salita, nakakakain ng PET . Ito ay, hanggang ngayon, ang tanging kilalang organismo na may ganitong kakayahan. Ito ay literal na lumalaki sa PET.

"Bukod pa sa pagtukoy sa Ideonella sakaiensis, natuklasan ng mga Hapones na gumawa ito ng dalawang enzyme na itinago sa kapaligiran. Ang isa sa mga sikretong enzyme ay tiyak na PETase. Dahil mayroon itong tiyak na antas ng pagkikristal, ang PET ay isang polimer na napakahirap pababain. Teknikal na ginagamit namin ang terminong 'recalcitrance' upang pangalanan ang ari-arian na kailangang labanan ng ilang mahigpit na polymer ang pagkasira. Isa na rito ang PET. Ngunit inaatake ito ng PETase at hinahati ito sa maliliit na yunit – mono(2-hydroxyethyl) terephthalic acid (MHET). Ang mga yunit ng MHET ay binago sa terephthalic acid [sa pamamagitan ng isang pangalawang enzyme] at hinihigop at na-metabolize ng bakterya," sabi ni Silveira.

Ang lahat ng kilalang nabubuhay na bagay ay gumagamit ng biomolecules upang mabuhay. Lahat maliban sa Ideonella sakaiensis, na namamahala sa paggamit ng isang sintetikong molekula, na ginawa ng mga tao. Nangangahulugan ito na ang bacterium na ito ay resulta ng isang napakakamakailang proseso ng ebolusyon na naganap sa nakalipas na ilang dekada. Nagawa nitong umangkop sa isang polimer na binuo noong unang bahagi ng 1940s at nagsimula lamang na gamitin sa isang pang-industriya na sukat noong dekada 1970. Para doon, ang PETase ang pangunahing piraso.

“Ginagawa ng PETase ang pinakamahirap na bahagi, na sinisira ang mala-kristal na istraktura at nag-depolymerize ng PET sa MHET. Ang gawain ng pangalawang enzyme, ang isa na nagpapalit ng MHET sa terephthalic acid, ay mas simple, dahil ang substrate nito ay nabuo ng mga monomer kung saan ang enzyme ay madaling ma-access dahil sila ay nakakalat sa medium ng reaksyon. Samakatuwid, ang mga pag-aaral ay nakatuon sa PETase", paliwanag ni Silveira.

Ang susunod na hakbang ay pag-aralan ang PETase nang detalyado at ito ang kontribusyon ng bagong pananaliksik. "Ang aming pokus ay upang malaman kung ano ang nagbigay sa PETase ng kakayahang gumawa ng isang bagay na hindi nagawa ng ibang mga enzyme nang napakahusay. Para doon, ang unang hakbang ay upang makuha ang tatlong-dimensional na istraktura ng protina na ito", sabi niya.

"Ang pagkuha ng three-dimensional na istraktura ay nangangahulugan ng paghahanap ng mga x, y at z coordinates ng bawat isa sa libu-libong mga atom na bumubuo sa macromolecule. Ginawa ng aming mga kasamahan sa Britanya ang gawaing ito gamit ang isang kilalang at malawakang ginagamit na pamamaraan na tinatawag na X-ray diffraction," paliwanag niya.

Ang binagong enzyme ay nagbubuklod nang mas mahusay sa polimer

Kapag nakuha ang three-dimensional na istraktura, sinimulan ng mga mananaliksik na ihambing ang PETase sa mga kaugnay na protina. Ang pinakamalapit na bagay ay isang cutinase mula sa bacterium Thermobifida fusca, na nagpapababa sa cutin, isang uri ng natural na barnis na bumabalot sa mga dahon ng halaman. Ang ilang mga pathogenic microorganism ay gumagamit ng mga cutinases upang basagin ang cutin barrier at iangkop ang mga nutrients na nasa mga dahon.

Larawan: istraktura ng PETase, sa asul, na may PET chain (sa dilaw) na nakakabit sa aktibong site nito, kung saan ito ay mapapasama. Press Release/Rodrigo Leandro Silveira.

"Nalaman namin na, sa rehiyon ng enzyme kung saan nagaganap ang mga kemikal na reaksyon, ang tinatawag na 'aktibong site', ang PETase ay may ilang mga pagkakaiba kaugnay sa cutinase. Mayroon itong mas bukas na aktibong site. Sa pamamagitan ng mga simulation ng computer - at ito ang bahaging pinakamaraming naiambag ko - napag-aralan namin ang mga paggalaw ng molekular ng enzyme. Habang ang crystallographic na istraktura, na nakuha ng X-ray diffraction, ay nagbibigay ng static na impormasyon, ginagawang posible ng mga simulation na magkaroon ng dynamic na impormasyon at matuklasan ang partikular na papel ng bawat amino acid sa proseso ng pagkasira ng PET", paliwanag ng mananaliksik mula sa IQ-Unicamp.

Ang pisika ng paggalaw ng molekula ay nagreresulta mula sa mga electrostatic na atraksyon at pagtanggi ng malaking hanay ng mga atomo at temperatura. Binibigyang-daan kami ng mga computer simulation na mas maunawaan kung paano nagbubuklod at nakikipag-ugnayan ang PETase sa PET.

"Nalaman namin na ang PETase at cutinase ay may dalawang magkaibang amino acid sa aktibong site. Gamit ang molecular biology procedures, gumagawa kami ng mga mutasyon sa PETase, na may layuning gawing cutinase", sabi ni Silveira.

“Kung nagawa natin ito, ipapakita natin kung bakit PETase ang PETase, ibig sabihin, malalaman natin kung aling mga sangkap ang nagbibigay nito ng kakaibang katangian ng nakakasira ng PET. Ngunit sa aming sorpresa, sa pamamagitan ng pagsisikap na sugpuin ang kakaibang aktibidad ng PETase, iyon ay, sa pamamagitan ng pagsisikap na gawing cutinase ang PETase, gumagawa kami ng mas aktibong PETase. Sinisikap naming bawasan ang aktibidad at, sa halip, dinagdagan namin ito", sabi niya.

Nangangailangan ito ng karagdagang pag-aaral sa computational upang maunawaan kung bakit ang mutant PETase ay mas mahusay kaysa sa orihinal na PETase. Sa pagmomolde at simulation, posible na makita na ang mga pagbabagong ginawa sa PETase ay pinapaboran ang pagkabit ng enzyme sa substrate.

Ang binagong enzyme ay nagbubuklod nang mas mahusay sa polimer. Ang pagkabit na ito ay nakasalalay sa mga geometric na kadahilanan, iyon ay, ang uri ng "susi at lock" na magkasya sa pagitan ng dalawang molekula. Ngunit din ang mga thermodynamic na kadahilanan, iyon ay, ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang bahagi ng enzyme at polimer. Ang matikas na paraan upang ilarawan ito ay ang pagsasabi na ang binagong PETase ay may "mas mataas na pagkakaugnay" para sa substrate.

Sa mga tuntunin ng praktikal na aplikasyon sa hinaharap, ang pagkuha ng isang sangkap na may kakayahang magpababa ng toneladang basurang plastik, ang pag-aaral ay isang malaking tagumpay. Ngunit ang tanong kung bakit ang PETase ay isang PETase ay nananatiling hindi nasasagot.

"Ang Cutinase ay may mga amino acid na a at b. Ang PETase ay may mga amino acid na x at y. Iniisip namin na, sa pamamagitan ng pagpapalit ng x at y para sa a at b, magagawa naming baguhin ang PETase sa cutinase. Sa halip, gumagawa kami ng pinahusay na PETase. Sa madaling salita, ang dalawang amino acid ay hindi ang paliwanag para sa kaugalian ng pag-uugali ng dalawang enzymes. Ibang bagay,” ani Silveira.

patuloy na ebolusyon

Ang Cutinase ay isang sinaunang enzyme, habang ang PETase ay isang modernong enzyme, na nagreresulta mula sa evolutionary pressure na naging posible upang Ideonella sakaiensis umangkop sa isang kapaligiran na naglalaman lamang o higit sa lahat polyethylene terephthalate bilang isang mapagkukunan ng carbon at enerhiya.

Sa maraming bacteria na hindi nagagamit ang polymer na ito, ang ilang mutation ay nakabuo ng isang species na nagawang gawin ito. Ang bacterium na ito ay nagsimulang dumami at lumaki nang higit kaysa sa iba dahil mayroon itong sapat na pagkain. With that, nadevelop siya. Hindi bababa sa iyon ang paliwanag na ibinigay ng karaniwang teorya ng ebolusyon.

"Ang katotohanan na nakakuha kami ng isang mas mahusay na enzyme sa pamamagitan ng paggawa ng isang maliit na pagbabago ay malakas na nagmumungkahi na ang ebolusyon na ito ay hindi pa kumpleto. Mayroon pa ring mga bagong ebolusyonaryong posibilidad na mauunawaan at tuklasin, na may layuning makakuha ng mas mahusay na mga enzyme. Ang pinahusay na PETase ay hindi ang dulo ng kalsada. Sa umpisa pa lang,” ani Silveira.

Sa pagtingin sa aplikasyon, ang susunod na hakbang ay ang paglipat mula sa laboratoryo patungo sa pang-industriyang sukat. Para dito, kakailanganin ang iba pang mga pag-aaral, na nauugnay sa reactor engineering, pag-optimize ng proseso at pagbabawas ng gastos.